大陆研究了焊锡几何形状和板边界条件对焊锡热疲劳的影响

简介

热疲劳是表面贴装电子元件中焊料失效的主要原因，特别是在航空航天、汽车和国防等高可靠性应用行业。对于像大陆汽车这样为这些行业设计和制造印刷电路板组件(PCBA)的公司来说，了解不同的设计如何影响焊料失效是至关重要的。每个变量都必须进行测试，以确定它对焊接疲劳的影响，从而确定电路板的可靠性。

大陆公司的目标是确定产生最低失效概率的焊接几何形状和边界条件。电路板的安装条件也有所不同，以了解这对焊料疲劳有什么影响。万博Ansys夏洛克被选中为这些场景建模，因为它能够准确地生成复杂几何的代表性模型，并提供基于可靠性物理的预测。

方法

大陆公司的工程师将他们的基线模型导入了夏洛克。这采用了来自他们的ECAD设计器的odb++文件的形式。在几秒钟内，夏洛克解释了这些数据并建立了一个详细的PCBA模型。数据包含PCBA中的堆叠层，可以单独查看，也可以组合查看电路板的整体属性。Sherlock还用每个组件的位置、大小和属性填充了板子上每个组件的所有数据。为了确保最高水平的准确性，组件数据与Sherlock Parts Library中的验证数据进行了交叉检查，Sherlock Parts Library是Ansys为Continental建立的所有已知部件信息的存储库。万博工程师们只花了很少的精力，就构建了一个功能基线板，并为设计研究和分析做好了准备。

在三种不同边界条件下，采用FR4 HDI (High Density Interconnect，高密度互连)对板进行建模。条件一是一个独立的板子。条件二是用TCA将板固定在5mm厚的铝板上。第三种情况与第二种情况相似，但1210个电容器下面的区域在电路板和铝板之间没有任何材料。

每种结构都要经历1000次温度循环。温度循环是在Sherlock中通过定义生命周期条件直接创建的。用户可以通过交互指定保持时间、斜坡温度和时间来输入热剖面。

Sherlock利用零件清单轻松地模拟了不同的焊料厚度。这里列出了每个部件的属性，可以从库中修改或加载这些属性。大陆工程师直接在零件卡中编辑每个1210电容器的焊料厚度，以代表每个焊料几何形状。

同样，通过Ansys Sherlock Layer Viewer, Sherlock可以很容易地对不同的安装条件进行建模。万博大陆汽车的工程师在板的底部添加了一个安装垫，并在Sherlock材料管理器中添加了TCA层的材料属性，以确保它能够准确地表示，并可以在未来的项目中再次使用。铝基板的效果与安装垫一起被定义为Sherlock的底盘材料。这一步骤允许大陆工程师跳过底板的物理建模，同时仍然保留其所有的机械效应。

在成功地在各种条件下对电路板进行建模后，Continental定义了其可靠性目标，并将其输入到电路板的生命周期中。

结果

焊料疲劳分析结果表明，焊料厚度对焊料失效概率有显著影响。结果表明，与名义形状相比，球状形状的失败可能性几乎低了三倍。饥饿焊料形状失败的可能性增加了三倍以上。

热力学分析的结果调查了板安装条件的影响，结果表明，当完全粘附在铝基板上时，板的失效风险要大得多。在1210个电容器下面的散热器中引入真空，在1000小时内故障急剧减少。部分约束板和完全约束板的失效概率仍然高于未约束板。这表明，约束板所产生的附加刚度在板受到压力时引起了更高的应变温度循环因此加速了1210个焊点的失效。

重要发现

利用Ansy万博s Sherlock，大陆公司能够识别出产生最低故障概率的焊接几何形状和板边界条件。主要调查结果包括:

• 组件下的焊料厚度将决定其疲劳寿命，较厚的焊料具有较低的失效概率。
• 当电路板附着在TCA材料的底板上时，失效的可能性急剧增加。
• 在1210电容器下方的散热器上设置一个口袋后，焊接疲劳寿命得到了改善，这表明电路板上的位置对失效概率有显著影响。

好处

大陆公司在实验设计(DOE)阶段使万博用Ansys Sherlock来调查形状、厚度和安装条件对焊点失效的影响。有了Sherlock，大陆公司在几小时内就得到了结果，而如果制造和测试样品，则需要几周的时间。这大大节省了产品开发的时间，通过快速消除不可行的设计，并允许更多的时间来优化最终解决方案。凭借Sherlock的故障预测能力，大陆公司不仅能够确定他们的产品在该领域的表现如何，而且还能够确定它在整个生命周期中的可靠性。